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¿Qué es la simulación CFD?

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¿Qué es la simulación CFD?

En este artículo nos centraremos en la comprensión de la simulación CFD de forma general detallando los diferentes pasos comunes a los distintos tipos de simulación (HVAC, hidrología, transferencia de calor, difusión de la contaminación, seguridad contra incendios…).

Definición de CFD

El éxito de una simulación CFD [computationnal fluids dynamics] necesariamente pasa por: la comprensión de los problemas del modelo; por la descripción completa de la geometría de la estructura; el desarrollo de una red adecuada la morfología de la estructura, haciéndola más densa en las zonas donde es probable que aparezcan los gradientes de las cantidades deseadas; el estudio riguroso de las condiciones iniciales y de contorno, teniendo en cuenta los mecanismos aéreos o hidráulicos más influyentes. Y por último, una lectura rigurosa y crítica por ingenieros cualificados de los resultados según el problema estudiado.

¿Por qué utilizar la simulación CFD?

La CFD, acrónimo de Computational Fluid Dynamics (dinámica de fluidos computacional), es una herramienta de ingeniería que se engloba dentro de lo que se conoce como ingeniería asistida por ordenador (CAE). Más concretamente, la CFD se refiere a la simulación del flujo de fluidos, teniendo en cuenta los fenómenos físicos y químicos implicados (como la turbulencia, la transferencia de calor o las reacciones químicas).

Una alternativa a las pruebas en túnel de viento

Pruebas en el túnel de viento

Los ensayos en túnel de viento están diseñados para reproducir la interacción entre el viento turbulento y las estructuras. En el caso de las estructuras rígidas, lascargas aerodinámicas pueden evaluarse en modelos rígidos.

Las pruebas en túnel de viento han sido ampliamente utilizadas para aplicaciones industriales y de ingeniería civil durante las últimas cinco décadas .

Las pruebas en túnel de viento requieren una configuración costosa e instrumentación sofisticada para medir una variedad de variables de campo (velocidad del viento, cargas de presión, intensidad de turbulencia, etc.). Su principal limitación es que tales medidas sólo se obtienen en algunos puntos específicos de la sección de prueba, que restringe significativamente la comprensión general procesos evolutivos o transitorios de fenómenos complejos no estables (como trituración vortex, estelas turbulentas y estratificación térmica).

Modelo de túnel de viento
Simulación CFD - La Défense

Estudio de la ventilación natural en un túnel de viento

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Estudio del túnel de viento Eiffel - Crédito @AirDesignLab

CFD: una evolución similar a una caja de herramientas

CFD ofrece muchas ventajas sobre las pruebas de túnel de viento. Además de generar simulaciones a escala real (en lugar de modelos a escala reducida para muchas simulaciones físicas), también proporciona datos complementarios y permite comparar para un viento dado las velocidades del viento simultáneamente entre dos puntos. Es posible realizar estudios hidrológicos, aeráulicos o térmicos a diferentes escalas: desde la microelectrónica hasta los estudios de edificios y ciudades. Los resultados pueden visualizarse más claramente y explicarse a tantas personas como sea posible.

CFD una gama muy amplia de aplicaciones

Estos métodos pueden utilizarse para resolver una amplia gama de problemas, que presentaremos a continuación.

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¿Qué puede aportar el uso de CFD?

Gracias a la simulación, el diseño de un proceso o producto se puede mejorar sin recurrir a la construcción de prototipos (costoso en tiempo y dinero ); se puede evitar una mala toma de decisiones; se obtiene un mejor conocimiento del proceso o del producto, gracias al cual es posibleavanzar más rápidamente en el proceso de diseño (elección de las mejores soluciones), así como solucionar problemas que se presenten en instalaciones o procesos ya en funcionamiento.

Por lo tanto se puede plantear el marco de un problema físico, se puede estudiar en simulación numérica CFD.

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Descripción general del modelo CFD

¿Cómo se organiza un proyecto de CFD?

¿Cuánto tiempo debo planificar para un proyecto de CFD?

En términos generales, un proyecto de simulación de fluidos implica un estudio preliminar del proceso / fenómeno a analizar, la creación de un modelo geométrico detalladola elección (y la aplicación, si es necesario) de modelos matemáticos adecuadosla aplicación de datos operativos como condiciones de contornoel cálculo numérico (que puede variar de unos minutos a unos días(por ejemplo, en función de la complejidad del cálculo) y el análisis de los resultados.

Por ello, aunque en los últimos años se han desarrollado aplicaciones que facilitan su uso, ejecutar correctamente un proyecto de CFD requiere experiencia y una importante inversión en recursos.

Definición del problema de estudio

Antes de comenzar un estudio de diseño, debemos hacerle algunas preguntas importantes. Estas preguntas son cruciales para determinar la geometría con la que empezaremos el análisis, en qué partes de su diseño nos centraremos y qué parámetros estudiaremos una vez completado el análisis.

Una vez respondidas estas preguntas para mejorar la comprensión de los problemas, se detalla aquí el proceso de modelización CFD común a todos los tipos de proyectos.

Preparación del modelo 3D

¿Cómo se hace el modelo de estudio CFD en 3D?

Una simulación eficaz comienza con unas buenas técnicas de modelización, tanto en lo que respecta a la integridad del modelo como a la creación adecuada de las diferentes regiones de flujo de fluidos y la optimización de la malla. El primer paso es diseñar un modelo para el análisis del flujo de fluidos. Esto significa modelar la geometría donde se produce el flujo y optimizar el modelo para la simulación.

Optimizar el modelo para la simulación.

Preparación del modelo 3D CFD para la optimización de la malla

Para estudiar el movimiento de los fluidos en un diseño, debe haber un modelo de la región de flujo. Lamayoría de los modelos 3D no lo incluyen por defecto, así que se trata de hacerlos desde un software que complemente el modelo 3D original. Por otro lado, también se trata de preparar el modelo para la optimización de la malla en zonas de alto riesgo. Así, añadimos piezas 3D, invisibles en los renders y en los estudios CFD, que se utilizarán para refinar con precisión la malla en las zonas de flujo que se capturarán en el estudio CFD.

¿Qué es la malla? (¿y porque es importante?)

La generación de la malla (3D) es una fase importante en un análisis CFD, dada su influencia en la solución calculada. Una malla de muy buena calidad es fundamental para obtener un resultado de cálculo preciso, robusto y significativo.

Cálculos de elementos finitos

Antes de ejecutar una simulación CFD, la geometría se divide en pequeñas piezas llamadas elementos. La esquina de cada elemento es un nodo. El cálculo se realiza en los nodos. Estos elementos y nodos constituyen la malla.

En los modelos tridimensionales, la mayoría de los elementos son tetraedros: un elemento de cuatro lados con una cara triangular. En los modelos bidimensionales, la mayoría de los elementos son triángulos.

Ilustración de los elementos

Estructura de malla

Se distingue entre malla estructurada y no estructurada, ortogonal o libre. En una malla estructurada 3D, el cálculo se realiza con mayor rapidez ya que no requiere el montaje de una matriz de conexión. En una malla no estructurada, este no es el caso. La ventaja de este último es que permite mallar cualquier geometría. Por otro lado, la creación y la memorización de la matriz pueden ralentizar mucho el cálculo. Este tipo de malla se utiliza para geometrías complejas con curvas o gran cantidad de elementos.

Los volúmenes sólidos requieren pocos elementos , a diferencia de los volúmenes fluidos que requieren un refinamiento preciso porque no pueden alejarse de una geometría paralelepipédica; de hecho, para los ángulos de los elementos muy deformados, existen riesgos de que el cálculo no pueda converger.

Ejemplo de la malla de estudio en la ciudad
Maillage CFD d'une grande usine - illustration du raffinement de maillage pour les gros modèles CFD
Ejemplo de la malla de estudio en la ciudad
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Visualización del impacto de la malla en la resolución del estudio CFD

Densidad de la malla

Con respecto a la densidad de la malla, es necesario encontrar un compromiso entre el costo del tiempo de cálculo y la precisión deseada. De nada sirve densificar la malla, en consecuencia aumentar el número de iteraciones, si la precisión es suficiente con un número limitado de elementos.

Principio de adaptación de la malla

La calidad de la malla tiene un impacto serio en la convergencia , la precisión de la solución y especialmente en el tiempo de cómputo. Una buena calidad de malla se basa en la minimización de los elementos que presentan «distorsiones» y en una buena «resolución» en las regiones que presentan un fuerte gradiente (gap, capas límite, recirculación, etc.).

La malla está adaptada para ser lo más fina posible en las áreas críticas de estudio. Esto permite tener en cuenta los fenómenos macroscópicos (volumetría de los edificios) que canalizan los tubos de corriente por efecto venturi, a la vez quecaptan correctamente los fenómenos aeráulicos de menor escala (difusión del aire).

¿Cómo se definen las condiciones límite del CFD?

Condiciones iniciales

Las condiciones iniciales representan las características del flujo en términos de velocidad y posición de la superficie libre al inicio de la simulación. Si el cálculo comienza con valores aleatorios, la simulación puede divergir rápidamente. Para no desviarse demasiado de los resultados realistas y optimizar el tiempo de cálculo, las condiciones iniciales se estudian y se eligen antes del estudio CFD.

Condiciones de contorno

El estudio de las condiciones de contorno es determinante en un modelado, se pueden resumir las condiciones de contorno como las hipótesis de la simulación. Este es el paso más crítico para el éxito del estudio, y el establecimiento de las condiciones límite específicas del proyecto debe estudiarse en detalle al inicio del encargo.

Método de resolución

Selección del modelo de turbulencia

La noción de modelo de turbulencia es particular en mecánica de fluidos. Permite catalogar las diversas estructuras que coexisten en un flujo y darles una cierta importancia dentro del flujo.

Estudios comparativos de modelos de turbulencia realizados por Combes[2000] han permitido designar el modelo con dos ecuaciones de transporte k-ε como el modelo más adecuado para flujos generalistas. Es uno de los modelos más utilizados, el más potente, el más sencillo y el más validado. k representa la energía cinética turbulenta y ε la tasa de disipación de la energía cinética turbulenta. Lógicamente lo usaremos para la mayoría de las simulaciones de fluidos en termoaeráulica e hidrología, pero podemos seleccionar otros modelos de turbulencia para simulaciones particulares.

Método de cálculo

La solución numérica se lleva a cabo mediante la linealización y discretización del conjunto de ecuaciones de conservación, lo que requiere la subdivisión del dominio computacional en una serie de volúmenes finitos no contiguos (malla). La resolución del estudio consiste en la resolución del sistema de ecuaciones no lineales de Navier-Stokes en servidores informáticos dedicados a CFD.

Ilustración de un diagrama de convergencia

Ver los resultados

Resúmenes gráficos

El flujo de un fluido en un volumen suele ser complejo e implica muchas recirculaciones a baja velocidad, lo que dificulta su visualización en un plano. Informamos de los fenómenos más llamativos por planos/secciones de situaciones y explicaciones muy completas.

Disponemos de una amplia gama de representaciones (tubo de corriente, campos vectoriales, isosuperficie, etc.) que nos permiten transcribir de la mejor manera los fenómenos aeraulicos identificados en el informe técnico.

La interpretación de los resultados requiere el dominio del software de análisis CFD, pero sobre todo conocimientos de física y del producto analizado para poder explicar con precisión los distintos fenómenos.

Resúmenes gráficos

De acuerdo con nuestros comentarios, para los elementos más llamativos, se producen videos que muestran las diferentes vistas del modelo CFD de forma dinámica. El resumen técnico que puede hacer referencia a estos videos para que sea más fácil de leer. De hecho, ciertos fenómenos resultan difíciles de comprender en el plano.

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Ver los resultados

Ventajas de la simulación CFD

Desventajas de la simulación CFD

Estos problemas se reducen claramente gracias a la experiencia adquirida por los ingenieros de EOLIOS en numerosos proyectos. Es importante realizar este tipo de estudios con un equipo cualificado.

¿Cuánto cuesta una simulación CFD?

De acuerdo, es cierto que el CFD no es la herramienta de ingeniería más barata (comparada con una aplicación CAD estándar o una hoja de cálculo) debido a su complejidad y a sus requisitos (experiencia, licencias, recursos computacionales).

Por otro lado, los resultados que ofrece este tipo de estudios y su contribución a un proceso de diseño o resolución de problemas no pueden compararse con los obtenidos con herramientas más sencillas.

La reducción del tiempo de diseño, el ahorro en la creación de prototipos y la mejora del proceso o del producto suelen compensar el coste de la simulación CFD.

Ofrecemos protocolos de misión adaptados a cualquier presupuesto.

Si después de leer esto cree que su proyecto podría beneficiarse de las herramientas CFD, póngase en contacto con nosotros y le proporcionaremos un protocolo de estudio claro y detallado.

Ejemplos de aplicaciones de simulación CFD

Rotura del yacimiento: efecto de las olas

Ingeniería de seguridad contra incendios

Simulación de incendio en un centro de datos

Dimensionamiento de chimeneas industriales

Centrale solaire

Estudio de vientos extremos – Central solar

Photo illustration de la qualité d'air dans les bâtiments
Modélisation des machines dans un laboratoire d'analyse

Estudio de la calidad del aire interior

Photo d'un nageur sous l'eau dans un bassin de piscine
Modélisation thermographie numérique d'une piscine

Simulación aeráulica de piscinas

Pruebas de humo – extracción de humo

Photo de manipulation par un opérateur dans un laboratoire
Modélisation CFD de la pollution de l'air par des poudres de médicaments

Estudio del polvo en salas limpias

Photo d'un entrepôt de stockage de produit pharmaceutique
Etude de l'araulique d'un entrepôt de stockage pharmaceutique

HVAC para edificios altos

Photo avec floue présentant le mouvement des personnes - mouvement d'une foule
Image présentant l'évacuation des personnes - simulation

Modelización dinámica de la evacuación de personas

Simulation CFD permettant de visualiser le déplacement de l'air dans un laboratoire et d'étudier le confinement des sorbonnes

Cualificación de la vitrina de gases de laboratorio

Presión del viento en los edificios

Simulación externa de CFD para centro de datos

Modelización del microclima de instalaciones deportivas

Protección de obras de arte.

Ejemplo de proyectos de simulación CFD:

Confort au Vent – Centro de entrenamiento del PSG

Centros de datos – DC15.1 y DC15.2 – Exteriores

Sistema de tratamiento de humos – CO2

Mejora del proceso de tratamiento de COV

Dimensionamiento de una chimenea industrial – Horno

Mejorar el confort térmico – Acerías

Etude du confort thermique à La Défense - modélisation du vent

Estudio eólico – La Défense

Confort del viento – Balcones

Modélisation CFD du déplacement d'un métro dans un tunnel

Captura de partículas finas en una estación de metro

Centro turístico Sharaan de Jean Nouvel

Modélisation CFD de guide flux en laboratoire

Sala blanca

Ingeniería de extracción de humos – Teatro

prueba

Ingeniería de extracción de humos – Teatro

Ingeniería de extracción de humos – Teatro

Enfriadores de aire – Estudio crítico – Ola de calor